Lehrbuch der Bauphysik: Schall — Wärme — Feuchte — Licht — Brand — Klima PDF
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Fischer | Jenisch | Stohrer | Homann | Freymuth | Richter | Häupl Lehrbuch der Bauphysik Fischer | Jenisch | Stohrer | Homann | Freymuth | Richter | Häupl Lehrbuch der Bauphysik Schall – Wärme – Feuchte – Licht – Brand – Klima 6., aktualisierte und erweiterte Auflage PRAXIS Bibliografische Information Der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über <http://dnb.d-nb.de> abrufbar. Prof. Dr.-Ing. Heinz-Martin Fischer, Hochschule für Technik Stuttgart Dr.-Ing. Hanns Freymuth, Institut für Tageslichttechnik Stuttgart Prof. Dr.-Ing. Peter Häupl, Technische Universität Dresden Prof. Dr.-Ing. Martin Homann, Fachhochschule Münster Prof. Dr.-Ing. Richard Jenisch, Fachhochschule für Technik, Stuttgart Dr.-Ing. Ekkehard Richter, Technische Universität Braunschweig Prof. Dr.-Ing. Martin Stohrer, Hochschule für Technik Stuttgart 1. Auflage 1984 2.Auflage 1989 3.Auflage 1994 4.Auflage 1997 5.Auflage 2002 6.,vollständig überarbeitete Auflage 2008 Alle Rechte vorbehalten © Vieweg+Teubner Verlag|GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2008 Lektorat: Dipl.-Ing. Ralf Harms |Sabine Koch Der Vieweg+Teubner Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media. www.viewegteubner.de Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Technische Redaktion: Annette Prenzer Umschlaggestaltung:KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg Druck und buchbinderische Verarbeitung: Strauss Offsetdruck, Mörlenbach Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in Germany ISBN 978-3-519-55014-3 Vorwort zur 6. Auflage Dieses Lehrbuch das alle physikalischen Einwirkungen, die bei der Planung und Konstruktion von Bauwerken berücksichtigt werden müssen, behandelt, hat in fünf aufeinander folgenden Auflagen eine weite Verbreitung bei Architekten und Bauingenieuren in den Hochschulen und in der Praxis gefunden. Dank diesem erfreulichen Widerhall in der Fachwelt kann jetzt die 6. Auflage ausgegeben werden. Für diese Neuauflage wurde das umfassende Lehrbuch dem jüngsten Stand der Wissenschaft, der Technik und der Normung angepasst. Schall Aufbauend auf den physikalischen Grundlagen und den Grundbegriffen der Bauakustik und des Schall-Immissionsschutzes werden die Einflüsse der Konstruktionen, vor allem auch neuer Baustoffe und Bauweisen, auf den Schallschutz behandelt. Die Effekte werden an praktischen Beispielen und Schadensfällen erläutert, um die theoretischen Zusammenhänge beim Schall- schutz anschaulich für die Baupraxis und die Studierenden der Fachrichtungen Architektur, Bauingenieurwesen und Bauphysik darzustellen. Der Einfluss der Schalllängsleitung wird ausführlich behandelt, desgleichen die Anforderung der DIN 4109 „Schallschutz im Hoch- bau“. Ergänzend zu den Planungshinweisen und Berechnungsbeispielen für Neubauten werden auch schalltechnische Probleme und Lösungsmöglichkeiten bei der Altbausanierung aufge- zeigt. Wie auch in anderen technischen Bereichen wird die Normung im Bereich der Bauakus- tik stark durch neue europäische Normen beeinflusst. Die dadurch verursachten Veränderun- gen bei der Kennzeichnung und Messung der Luft- und Trittschalldämmung werden verdeut- licht. Eingegangen wird auch auf die neuen europäischen Rechenverfahren für den baulichen Schallschutz. Anhand eines vollständigen Berechnungsbeispieles für die Luftschalldämmung kann die Vorgehensweise der neuen Berechnungsmodelle nachvollzogen werden. Wärme Zur Einführung in den Bereich des baulichen Wärmeschutzes werden die physikalischen Grundlagen des Wärmetransportes sowie die stationären und instationären Wärmebewegungen durch Bauteile behandelt. Damit sind die Grundlagen für die Beschreibung der Wärmeleitfä- higkeit der Baustoffe und deren Einflussgrößen, sowie der Kenngrößen des Wärmeschutzes der Bauteile und des Wärmeschutzes von Luftschichten gegeben. Weiterhin werden die genormten Rechenregeln in baulichen Wärmeschutz, die zum Nachweis des ausreichenden Wärmeschutzes verwendet werden müssen, besprochen. Die Tagellen mit den in den Mitgliedsländern der Europäischen Union hierfür zu verwendenden Bemessungs- werte der Wärmeleitfähigkeit nach DIN V 4108-4 und nach DIN EN 12524 sowie die Verfah- ren zur Bestimmung der Bemessungswerte sind dargestellt. Auch die in DIN 4108-2 neu fest- gelegten Mindestanforderungen an den Wärmeschutz von Bauteilen im Winter sowie die An- forderungen an den sommerlichen Wärmeschutz werden behandelt. Der letzte Abschnitt enthält die Grundlagen des energiesparenden Wärmeschutzes bei Gebäu- den. Die Berechnungsverfahren nach DIN V 4108-6 „Berechnung des Jahres-Heizwärme- und Jahres-Heizenergiebedarfs“ und nach DIN V 4701-10:2001-02 „Energetische Bewertung heiz- und raumlufttechnischer Anlagen“ werden in den Grundzügen erläutert; der Energiebedarfs- nachweis nach der Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende VI Vorwort Anlagentechnik bei Gebäuden, also nach EnEV 2002, wird dargelegt und an einem Beispiel aufgezeigt. Feuchte Nach einer Erläuterung der Ziele des Feuchteschutzes werden die Speicher- und die Trans- portmechanismen für das Wasser im flüssigen und im gasförmigen Zustand in der Erdatmo- sphäre und in den Baustoffen besprochen. Dann wird der Feuchteübergang von der Oberfläche eines oder eines flüssigen wasserhaltigen Körpers an Luft und umgehkehrt erläutert. Der Feuchtetransport in Bauteilen ist Ggenstand der beiden nächsten Abschnitte: Sofern stati- onäre, d.h. zeitlich gleich bleibende Verhältnisse vorliegen, können für viele Probleme relativ einfache Bemessungsregeln angegeben werden. Instationäre Feuchte-Speicher- und Transport- vorgänge sindviel schwerer quantitativ zu fassen, so dass auf numerische Simulationsbere- chungen oder auf qualitative Empfehlungen und nur in einigen Fällen auf einfache Berechnun- gen hingewiesen werden kann. Das anschließende Kapitel hat die hygrischen Beanspruchungen von Bauteilen zum Inhalt. Nach einer Definition des Quellen und Schwindens von Bauteilen werden die daraus resultie- renden Verformungen und Spannungen betrachtet. Der umfangreiche Schlussabschnitt ist dem bautechnischen Feuchteschutz gewidmet. Die an Bauwerken konkret zu ergreifenden Maßnahmen zum Schutz von Niederschlägen und dem Wasser im Baugrund, vor Tauwasser, Brauchwasser und der Baufeuchte junger oder alter Bauwerke werden hier aus bauphysikalischer Sicht aufgezählt und bewertet. Licht „Licht“ bedeutet hier nur Tageslicht. Tageslichttechnik heißt sinnvolle Nutzung der gestreut durch Wolken oder direkt ankommenden Strahlung der Sonne, Anpassen des zu Bauenden an die astronomische unklimatische Gegebenheiten, Aufnehmen der erwünschten, Abwehr der unangenehmen Einflüsse. Wie Lichtöffnungen angeordnet und ausgebildet werden, prägte schon immer in meist höherem Maße das Gesicht von Gebäuden als die Ausbildung der Wän- de und Dächer. – Als Hilfe für eher gefühlsmäßig getroffene Vorentwurfsentscheidungen erläutert der erste Teil dieses Hauptabschnitts ohne Rechenverfahren die vorwiegend geomet- risch bedingten Möglichkeiten und Grenzen der Raumbeleuchtung mit Tageslicht, geht dabei auch schon auf nutzungsbedingte Besonderheiten verschiedener Raumtypen ein und leitet den sinnvollen Gebrauch von Sondergläsern aus ihren Eigenschaften ab. Statt Beleuchtungsrezepte für Sporthallen, Museen oder andere Zwecke zu bieten (es gibt nie nur eines!), versucht er, Zusammenhänge darzustellen und zum Mitdenken anzuregen, damit man neue Entwurfsaufga- ben zumindest vom Ansatz her selbst so zu lösen kann, dass sie auch in der Tageslichtführung dankbar sind und sich weiterentwickeln lassen. Der zweite Teil liefert die astronomischen, geometrischen (unfassender als DIN 5034), rechnerischen und materialbedingten Grundlagen für Untersuchungen, gibt an zwei Beispielen ausführliche Hinweise für die Anwendung und zeigt die bestehenden Genauigkeitsgrenzen. Der dritte Teil beschreibt die auch städtebaulich zu beachtenden Möglichkeiten, die eingestrahlte Sonnenenergie zu nutzen und sich vor uner- wünschter Sonne zu schützen, der vierte kurz, welche tageslichttechnischen Messungen ein- fach auszuführen wären. Vorwort VII Brand Die Darstellung des Teilgebietes „Brand“ geht aus von möglichen Brandverläufen und Model- len zu ihrer Beschreibung und befasst sich dann zunächst mit den Hochtemperatureigenschaf- ten der Baustoffe und dem Brandverhalten von Bauteilen. Damit werden die Grundlagen für einen vorbeugenden baulichen Brandschutz gegeben. Dann wird auf die für den Brandschutz wichtigen deutschen Richtlinien und Normungen eingegangen und die parallel verlaufende europäische Brandschutzmaßnahmen sowie Brandnebenwirkungen durch Rauch und toxische Gase erläutert. Klima Alle Komponenten des Außenklimas, die das Raumklima beeinflussen und die Baukonstrukti- on beanspruchen können, werden beschrieben und quantifiziert. Die Forderungen, die an das Raumklima im Gebäude zu stellen sind, basieren auf der Wärme- physiologie des Menschen. Im Abschnitt“ Freie Klimatisierung“ werden Modelle für eine genäherte Berechnung der Emp- findungstemperaturen und der Raumluftfeuchten außerhalb der Heizperiode vorgestellt. Die Forderungen lassen sich über die Wärmespeicherfähigkeit des Baukörpers, über den Wärme- widerstand der Hüllkonstruktion, über die Begrenzung der Strahlungsbelastung, die Feuch- teproduktionsrate, die Feuchtespeicherung durch die Raumumschließungsflächen und eine angepasste Lüftung realisieren. Im Gegensatz zu numerischen Simulationsverfahren bleibt der Einfluss aller Parameter transparent, und folglich können generelle Aussagen zum Raumklima in der Vorbemessungsphase von Gebäuden gemacht werden. Ein Überblick über die Klimazonen der Erde und die autochtonen Bauweisen, die sich dort entwickelt haben, veranschaulichen die bauklimatische Wirkungsweise der Gebäude und ihrer Elemente. Im Frühjahr 2008 H.-M. Fischer, M. Stohrer, M. Homann, H. Freymuth, E. Richter, P. Häupl Autorenverzeichnis Prof. Dr.-Ing. Heinz-Martin Fischer studierte Elektrotechnik mit Schwerpunkt Technische Akustik an der TU Berlin. Nach der Promotion im Bereich der Akustik und Berufstätigkeit am Fraunhofer-Institut für Bauphysik (Leitung der Abteilung Bauakustik) wurde er als Professor für Bauakustik, Raumakustik und Schallimmissionsschutz an die Hochschule für Technik Stuttgart berufen. Er ist Mitglied zahlreicher nationaler und internationaler Fach- und Nor- mungsgremien des baulichen Schallschutzes. Email: [email protected] Dr.-Ing. Hanns Freymuth begann nach seinem Architekturstudium an der TH Stuttgart seine Arbeit, später in leitender Funktion am Institut für Tageslichttechnik Stuttgart. Dort promo- vierte er und wurde Inhaber des Institutes, das er 1997 wieder übergab. Er betreibt seine For- schung, Gutachten und Beiträge zur Wirkung und sinnvollen Nutzung von Tageslicht und Sonne in Schulen, Sporthallen, Kirchen, Museen und der Stadtplanung. Prof. Dr.-Ing. habil. Peter Häupl studierte Physik an der TU Dresden. Nach erfolgreicher wissenschaftlicher Arbeit in Lehre und Forschung an der Hochschule für Bauwesen in Cottbus und anschließender Dissertation und Habilitation an der Fakultät Bauingenieurwesen der TU Dresden, wurde er einige Jahre später als Professor für Bauphysik an die TU Dresden berufen. Heute leitet er dort das Institut für Bauklimatik. Als Fachbuchautor hat er bereits zahlreiche Beiträge veröffentlicht und zu diesem Thema weltweit Vorträge gehalten. Email: [email protected] Prof. Dr.-Ing. Martin Homann hat an der Universität Dortmund Architektur studiert. Danach war er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Bauphysik. Nach anschließender Pro- motion und mehrjähriger Tätigkeit für die Baustoffindustrie wurde er zum Professor für Bau- physik an die Fachhochschule Münster berufen. Als Sachverständiger befasst er sich mit den Themenbereichen Wärmeschutz, Feuchteschutz und Bauschäden. Email: [email protected] Prof. Dr.-Ing. Richard Jenisch wurde nach seinem Studium der Physik an der TH Stuttgart und anschließender wissenschaftlicher Mitarbeit als Professor an die FH für Technik Stuttgart berufen. Er organisierte dort unter anderem auch den Aufbau eines eigenständigen Studien- ganges „Bauphysik“. Er war Mitglied im DIN-Normenausschuss „Wärmeschutz im Hochbau“ und mehrerer nationaler und internationaler Arbeitskreise. X Autorenverzeichnis Dr.-Ing. Ekkehard Richter ist seit seinem abgeschlossenen Studium und der Promotion als Oberingenieur am Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz der TU Braunschweig tätig. Als Mitglied in verschiedenen nationalen und internationalen Normungsgremien wurde er auch als Experte zur Erstellung des Eurocodes 2 berufen. Er leitete unter anderem die Tun- nel-Großbrandversuche in Norwegen im Rahmen des EUREKA-Projektes. Email: [email protected] Prof. Dr. rer. nat. Martin Stohrer wurde nach seiner Promotion und Industrietätigkeit im Forschungbereich „Neue Energiekonzepte - Wasserstofftechnologie“ der Daimler-Benz AG auf eine Professur für Physik und Bauphysik an die Hochschule für Technik Stuttgart berufen. Von 1993 bis 2007 war er Rektor. Er ist Sachverständiger für thermische Bauphysik und Energieeffizienz von Gebäuden. Email: [email protected] Inhaltsverzeichnis I Schall Von Heinz-Martin Fischer 1 Einleitung.............................................................................................................................3 2 Grundlagen...........................................................................................................................4 2.1 Physikalische Grundlagen..............................................................................................4 2.2 Grundbegriffe der Bauakustik.......................................................................................8 2.2.1 Messung von Schall............................................................................................8 2.2.2 Beurteilung zeitlich schwankender Geräusche.................................................11 2.2.3 Kennzeichnung und Messung der Luft- und Trittschalldämmung...................12 2.2.4 Kurzmessverfahren...........................................................................................18 3 Raumakustik......................................................................................................................20 4 Schallschutz im Wohnungsbau.........................................................................................30 4.1 Luftschalldämmung von Wänden................................................................................39 4.1.1 Einschalige Wände...........................................................................................39 4.1.2 Einfluss der Schalllängsleitung........................................................................42 4.1.3 Verbesserung durch biegeweiche Vorsatzschalen............................................45 4.1.4 Doppelschalige Haustrennwände.....................................................................47 4.1.5 Ausführungsbeispiele nach DIN 4109..............................................................50 4.1.6 Berechnung der Luftschalldämmung zwischen Räumen nach EN 12354-1....55 4.2 Luft- und Trittschalldämmung von Decken.................................................................62 4.2.1 Massivdecken...................................................................................................62 4.2.2 Holzbalkendecken............................................................................................67 4.3 Schallschutz beim Treppenhaus...................................................................................69 4.4 Schallschutz bei haustechnischen Anlagen und gegenüber Betrieben.........................73 4.5 Schalltechnische Probleme bei der Altbausanierung...................................................80 5 Schutz gegen Außenlärm..................................................................................................89 5.1 Schalldämmung von Fenstern, Rolladenkästen, Lüftern.............................................92 5.2 Außenwände................................................................................................................95 5.3 Dächer..........................................................................................................................97 6 Schallschutz in Skelettbauten mit Montagewänden.......................................................98 7 Städtebaulicher Schallschutz..........................................................................................101 II Wärme Von Richard Jenisch und Martin Stohrer Einleitung...............................................................................................................................109 1 Grundlagen der Wärmelehre.........................................................................................109 1.1 Physikalische Größen, Formelzeichen, Einheiten und Indizes..................................109 1.2 Temperatur.................................................................................................................111 XII Inhaltsverzeichnis 1.3 Thermische Längenänderungen.................................................................................111 1.4 Wärmetransport..........................................................................................................112 1.4.1 Wärmeleitung.................................................................................................113 1.4.2 Konvektion und Wärmeübergang...................................................................114 1.4.3 Wärmestrahlung..............................................................................................115 1.5 Fourier-Gleichung......................................................................................................122 2 Stationäre Wärmebewegungen.......................................................................................122 2.1 Kenngrößen des Wärmeschutzes von Bauteilen........................................................122 2.1.1 Wärmedurchlasswiderstand homogener Schichten........................................123 2.1.2 Wärmeübergangswiderstand...........................................................................126 2.1.3 Wärmedurchgangswiderstand und Wärmedurchgangskoeffizient.................126 2.2 Wärmeleitfähigkeit von Baustoffen...........................................................................128 2.2.1 Einflussgrößen................................................................................................128 2.2.2 Wärmedämmstoffe..........................................................................................133 2.3 Wärmedurchlasswiderstand von Luftschichten.........................................................135 2.4 Temperaturen der Bauteile.........................................................................................135 2.4.1 Rechnerische Ermittlung der Temperaturen...................................................135 2.4.2 Graphische Ermittlung der Temperaturen......................................................138 3 Instationäre Wärmebewegung........................................................................................139 3.1 Stoffkenngrößen.........................................................................................................139 3.2 Aperiodische Temperaturänderungen........................................................................141 3.2.1 Auskühlen eines Raumes................................................................................141 3.2.2 Die Aufheizung eines Raumes........................................................................142 3.3 Periodische Temperaturänderungen...........................................................................143 3.4 Näherungsverfahren zur Ermittlung eindimensionaler, einstationärer Temperaturfelder........................................................................................................144 4 Lüftung in Wohnungen...................................................................................................144 4.1 Fensterlüftung............................................................................................................145 4.2 Fensterfuge und Luftwechsel.....................................................................................145 4.3 Raumlüftung und Wasserdampfproduktion...............................................................146 4.4 Lüftungswärmeverluste..............................................................................................147 5 Wärmeschutz von Bauteilen...........................................................................................148 5.1 Außenwände..............................................................................................................148 5.1.1 Einschalige Mauerwerkswände......................................................................149 5.1.2 Außenwände mit Außendämmung.................................................................150 5.1.3 Außenwände mit raumseitiger Wärmedämmung...........................................152 5.1.4 Zweischaliges Mauerwerk nach DIN 1053....................................................153 5.1.5 An das Erdreich grenzende Wände mit Perimeterdämmung..........................153 5.2 Decken.......................................................................................................................154 5.2.1 Rohdecken......................................................................................................155 5.2.2 Fußbodenaufbau.............................................................................................156 5.3 Dächer........................................................................................................................158 5.3.1 Das nicht belüftete Flachdach.........................................................................158 5.3.2 Das belüftete Dach..........................................................................................162 5.3.3 Das geneigte Dach ohne Belüftung................................................................164
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